钢-混凝土组合梁V型栓钉连接件抗剪承载力研究

2021-12-03彭定东周银笙

水利规划与设计 2021年12期

彭定东，周超，周银笙，熊汪

(贵州大学土木工程学院，贵州贵阳 550025)

1 概述

钢混组合梁由型钢、混凝土和抗剪连接件组成，此类结构可充分发挥钢材与混凝土的性能，在降低材料用量的同时，结构整体承载能力大幅提高，相比传统混凝土板梁结构[1]，钢混组合梁具备跨度较大的优点[2]，已大量运用于建筑和桥梁工程中[3]。剪力连接件是型钢与混凝土安全性和协调受力的关键，其不仅可以传递2种材料间的剪力，同时可以抵抗混凝土的掀起作用。

伴随钢混组合结构的大力发展，大量学者针对抗剪连接件进行了研究。Viest[4]通过推出试验研究栓钉直径和混凝土强度等级对抗剪承载力的影响，结果表明，栓钉承载力随栓钉直径提高而提高，随混凝土强度增加而增加，且与混凝土强度的1/2次方呈正比关系。Ollgaard等[5]基于推出试验对栓钉抗剪连接件进行参数分析，明确混凝土强度和弹性模量直接影响最终结果，并以此提出栓钉承载力计算公式，该公式形式简单且适用性强，成为栓钉剪力连接件设计的基础公式。N.Gattesco等[6]提出直剪试验测试栓钉连接性能，与推出试验结果吻合良好，基于结果提出了栓钉荷载-滑移公式。Pallares等[7-8]对300多个推出试验分析结果进行总结，与各国规范进行详细对比，为栓钉连接件的设计和规范制定提供了参考依据。Shen等[9]基于推出试验，研究在剪力和拉力复合作用下栓钉与实心板和压型钢板连接的抗剪性能，得出在实心板中，栓钉出现大滑移后剪切断裂，而叠合板中混凝土则发生脆性椎体破坏;栓钉在压型钢板中的安装位置对栓钉的抗剪性能影响显著。Chen等[10]采用数值模拟大量建模，分析由弯矩引起的混凝土裂缝情况下栓钉群的力学性能，得出在推挤过程中，混凝土的裂缝会影响栓钉到混凝土的剪力传递，导致栓钉抗剪刚度减小，由回归分析建立弯矩引起裂缝与栓钉抗剪刚度减小的关系，提出评估混凝土裂缝深度的分析方法。汪劲丰等[11]基于24个栓钉抗剪试验探究栓钉高度对栓钉承载力的影响，结果表明，当连接件长径比4.5～13.2时，栓钉剪力承载力抗剪承载力随长径比增加而增大。为方便抗剪连接件更换，实现实时维护，严鑫等[12]提出了一种可拆卸螺栓连接件，基于试验得出更换前后连接件力学性能变化不会影响钢混组合结构整体性能。赵根田等[13]采用推出试验分别研究栓钉抗剪连接件在重复荷载与单调荷载下的力学性能，结果表明重复荷载作用下栓钉抗剪件出现疲劳现象和裂缝发展，导致栓钉承载力下降。丁发兴等[14]采用试验与有限元结合的方式，研究栓钉直径、数量、长径比、屈服强度、混凝土强度和横向配筋率等对栓钉剪力连接件荷载移性能的影响，建议了栓钉受剪承载力公式。王隽[15]运用ABAQUS有限元模型对一系列栓钉推出试验进行分析，采用模型可良好解决无侧向支撑的小滑移非成熟破坏。孙艳宁等[16]基于推出试验研究一种新型装配式栓钉，结果表明该栓钉在承载能力满足规范要求的同时延性明显提高。

目前，国内外学者主要针对常规栓钉和可拆卸螺栓进行推出试验，很少涉及改进常规栓钉力学性能研究，本文在常规栓钉的基础上进行改进，提出一种新型V型栓钉抗剪连接件，将双排焊钉降低位单排，大幅降低现场焊接次数，减小钢材焊接损伤；新型V型栓钉具体形式如图1所示，主要由2个常规栓钉组成，底部可增加基座保证焊接方便。为明确V型栓钉的抗剪性能，采用ABAQUS有限元软件建立栓钉推出试验，通过参数分析，研究V型栓钉基座高度、焊接角度γ、构造角度β、混凝土强度、栓钉材料强度和直径对构件承载力的影响。

图1 V型栓钉构造图(单位：mm)

2 模型设计

本文模型参考欧洲标准Eurocode4建立推出试验，两边混凝土尺寸取600 mm×400 mm×460mm，采用HW250×250型钢，在型钢翼缘边每侧各设置一个V型栓钉，混凝土内部钢筋直径均取10mm，位置关系如图2所示。

图2 推出试件尺寸(单位：mm)

3 数值模拟

3.1 模型建立

为提高计算效率，根据模型对称性，在ABAQUS软件中取用1/2模型；钢梁、栓钉采用C3D8R单元，V型栓钉构造难以保证栓钉周围混凝土网格划分均为六面体，对混凝体进行切分，栓钉周围混凝土采用C3D10单元，其余部位采用C3D8R单元，钢筋采用T3D2单元。详细情况如图3所示。混凝土与钢梁间采用硬接触，不设置摩擦参数；栓钉与钢梁之间进行绑定连接；钢筋内嵌于混凝土内部，忽略钢筋与混凝土之间的粘性滑移；栓钉和混凝土采用摩擦接触，并考虑0.2的摩擦系数。固定混凝土低面自由度并在1/2对称面上施加对称边界约束，耦合钢梁顶面于一点进行位移法加载获取承载力结果。

图3 模型建立及网格划分

3.2 本构参数

采用ABAQUS2017自带混凝土塑性损伤模型，本构关系采用GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》推荐曲线，其单轴受压应力-应变形式如下：

σ=(1-dc)Ecε

(1)

(2)

式中，σ—混凝土应力，MPa；ε—混凝土应变；Ec—混凝土弹性模量，MPa；dc—混凝土单轴受压损伤演化参数；αc—混凝土单轴受压应力-应变曲线下降段参数值；fc，r—混凝土单轴抗压强度代表值；εc，r—与单轴抗压强度fc，r相应的混凝土峰值应变。

单轴受拉表达式如下：

σ=(1-dt)Ecε

(3)

(4)

式中，dt—混凝土单轴受拉损伤演化参数；αt—混凝土单轴受拉应力-应变曲线下降段参数值；ft，r—混凝土单轴抗拉强度代表值，MPa；εt，r—与单轴抗拉强度ft，r相应的混凝土峰值应变。

钢材荷栓钉均采用理想弹塑性模型，型钢采用与栓钉一致材料，其应力-应变关系如图4所示。

图4 钢材本构关系图

3.3 材料参数

采用C30混凝土，其弹性模量为3×104MPa，密度为2400kg/m3，泊松比为0.2；推出试验中不考虑工字钢的受力和变形，有限元模拟中可对型钢进行加强处理[17]，本文型钢和栓钉取一致材料，屈服强度为470.8MPa，弹性模量为2×105MPa，泊松比取0.3。

3.4 模型验证

Dennis Lam[18]通过试验与有限元模拟的方式对传统栓钉的抗剪承载性能进行了研究，试验数据与数值模拟结果吻合良好。基于文本运用的本构关系和模拟方法，设置相同尺寸栓钉和相同材料强度试件对Dennis Lam文中SP3试验进行数值分析，提取栓钉荷载-滑移曲线与文献数据、理论数据对比，如图5所示，试验栓钉承载力为92.18kN，本文有限元模拟值为92.47kN，可知，有限元模型与试验、理论值吻合良好，采用数值分析能够较好研究栓钉承载力。

图5 有限元计算和试验值比较

3.5 V型栓钉受力过程分析

对无基座V型栓钉进行数值模拟，结合应力状态试件分析栓钉各阶段受力性能。初始加载时，V型栓钉受力较小，变形处于弹性范围内，栓钉根部受力比较大，对周边混凝土挤压较小，栓钉顶部几乎无应力。随着荷载逐渐增加，栓钉底部出现滑移，栓钉杆部开始微小弯曲变形，对下部混凝土造成挤压损伤，栓钉根部和中部出现较大应力，顶部基本无应力作用。随着荷载的进一步加大，荷载逐渐接近承载力，栓钉杆部应力增大向栓钉根部扩散，栓钉根部应力则向上扩散与杆部衔接，栓钉根部单元发生大变形导致剪切破坏，底部混凝土受压损伤进一步扩大，栓钉顶部应力仍处于较低水平。栓钉各阶段具体受力状态如图6所示。

图6 栓钉各阶段应力变化状态

4 影响参数分析

4.1 基座高度

设置混凝土强度为30MPa，栓钉屈服强度为470.8MPa、直径19mm、长度100mm，β角取45°，γ角取0°，改变栓钉基座高度，得出不同基座高度对栓钉承载力的影响，结果如图7所示。总体上，V型栓钉承载力随基座高度增加而增加，当基座高度在0～4mm时栓钉总体承载力增幅不大；当基座高度由4mm增加至6mm，栓钉总体承载力提高明显，增加幅度约33%；基座高度在6～10mm的增长幅度与0～2mm相差不大，不超过8%。提取不同高度基座的受力状态，如图8所示，随着基座高度的增加，基座达到屈服应力的面积逐渐增多，基座在0～4mm时，面积增加不明显，基座高度由4mm增加至6mm，基座达屈服面积急剧增多，6～10mm变化不明显。分析原因为，在基座高度为0时，栓钉端部发生剪断破坏，随着基座高度的增加，基座与栓钉开始协同受力，提高了栓钉承载力，但是在基座高度小于4mm的情况下，基座对栓钉承载力影响较小，栓钉与基座交界处为试件承载力控制截面；当基座高度在4～6mm时，控制截面逐渐向栓钉基座过渡，基座截面面积大于栓钉与基座交界处，试件承载力因此大幅上涨；当基座高度大于6mm，强度控制截面过渡完成，栓钉交界面仍旧会对V型栓钉性能产生削弱影响，试件随交界面远离强度控制面而缓慢增加。

图7 基座高度对栓钉承载力的影响

图8 不同高度基座破坏应力云图

4.2 焊接角度γ和构造角度β

设置混凝土强度为30MPa，栓钉屈服强度为470.8MPa、直径19mm、长度180mm，改变β角为30°、45°和60°，对比分析角β对V型栓钉承载力影响，考虑混凝土保护层厚度和栓钉构造关系，对β角小于30°和大于60°不做讨论。如图9所示，随着γ角的增大，V型栓钉承载力呈线性降低，分析原因为栓钉与型钢连接面积随γ角增大依次减小，通过计算，β角为45°和60°时，底部面积分别是30°的70.1%和57.7%；β角为30°时，承载力为216.9kN；β角45°和60°承载力分别是30°时的86.0%和70.9%，承载力下降趋势小于栓钉底部面积降低趋势，原因为栓钉基座对试件强度的影响。

图9 γ角与β角对承载力的影响

保证β角为45°，改变γ角大小，可知，γ角的变化对栓钉承载力影响较小，其中，当γ角在15°、45°、60°和75°时，栓钉承载力均在195kN左右，数值相差不大；但是当γ角为30°和90°时，V型栓钉承载力都有一定程度提高，分析原因为在γ角等于30°时，斜钉正好与混凝土内部钢筋相交，钢筋与栓钉的协同受力提高了V型钉承载力；当γ角等于90°时，栓钉基座由横向变为竖向，2个常规栓钉呈“斜撑”形式，如图10所示，这种状态对栓钉承载力有提升作用。

图10 γ角等于90°时受力形式

4.3 混凝土强度

设置栓钉屈服强度为470.8MPa、直径19mm、长度180mm，γ角为0°，β角为45°为例，改变混凝土强度为C30、C40、C50和C60，如图11所示，随着混凝土强度增加，栓钉承载力相对增加，混凝土为C60时承载力相比C30增加仅5.5%，增长趋势缓慢。

图11 混凝土强度等级对承载力的影响

4.4 栓钉强度

钉起着连接型钢和混凝土的作用，材料强度对试件承载力影响较大。以混凝土强度取C30为例，直径19mm、长度180mm，β角取45°，γ角取0°，设置栓钉材料强度分别为390、470、490、550 MPa，得到后3个栓钉承载力相对前1个依次增加10.2%、3.1%、10.4%，如图12所示，试件承载力与栓钉屈服强度呈近似线性关系。

图12 栓钉强度对承载力的影响

4.5 直径

根据GB/T 104433—2002《电弧螺柱焊用圆柱头焊钉》中建议栓钉尺寸，以混凝土强度C30为例，保持栓钉长度为180mm，β角取45°，γ角取0°，栓钉屈服强度为470.8MPa，设置直径分别为10、13、15、19、22、25mm栓钉进行计算，结果如图13所示，试件承载力随栓钉直径的增加而近似近似线性增加。

图13 栓钉直径对承载力的影响

5 V型栓钉与常规栓钉受力对比

以γ角取0°，β角取45°的无基座栓钉和4mm基座栓钉为例，由图14可知，初始受力阶段，V型栓钉剪切刚度较大，滑移增加速度远小于荷载增加速度；同采用2个常规栓钉的试件受力性能对比，荷载相同时，V型栓钉滑移量大于常规栓钉，在荷载接近抗剪承载力时，2种栓钉滑移曲线基本一致；由于无基座栓钉端头交接处存在切削，2个常规栓钉承载力大于无基座栓钉，4mm基座V型栓钉与2个常规栓钉承载力基本一致，因此当V型栓钉β角小于45°，基座高度大于4mm时，可使用当前规范公式对其进行强度计算。